С конца ⅩⅨ и начала ⅩⅩ веков ученые пытаются построить квантовый компьютер, не до конца понимая, что такое квантовый бит. Так называемый – кубит.
У всех видов памяти от триггера, построенного на лампах, до мельчайшей микросхемы есть один обязательный элемент: конденсатор иначе емкость. Так вот, эта самая емкость и хранит информацию, то есть бит – 0 или 1. Как это происходит? В емкости скапливается определенное количество электронов, создающих определенный потенциал. Если потенциал определенной величины присутствует, то мы говорим, что ячейка памяти хранит 1. Если же потенциал отсутствует или он не должной величины, то мы говорим, что ячейка хранит 0. Величина потенциала зависит от количества электронов в этой емкости, как количество воды в стакане зависит от количества молекул воды в нем.
Современная техника позволяет изготавливать емкости размеров до 10 в -13 степени мм, а может быть и меньше. Значит, в этих емкостях можно хранить сотни или даже десятки тысяч электронов. Все, уменьшая и уменьшая нарезку (емкости как-то вырезаются на пластинках из соответствующего материала или напротив напыляются соответствующие вещества на подложки), мы можем дойти до размера емкости, хранящей всего один электрон. Тогда если в емкости один электрон, то будем считать это – 1, если электрон отсутствует, то это – 0. В современных видах памяти на емкости хранятся сотни, или возможно десятки тысяч электронов.
Дальше абсолютно минимизировать память можно только, уменьшая размеры электрона, чего нельзя делать по объективным причинам, но можно минимизировать ее относительно, то есть увеличивать на несколько процентов размер памяти, а ее емкость увеличивать на больший процент. Для этого следует электроны пронумеровать или как-то пометить, тогда два электрона в одной емкости увеличат память в четыре раза, а ее размеры увеличатся всего в два раза. Три нумерованных электрона увеличат размер памяти в три раза, а объем памяти увеличится в восемь раз и т.д. Таким образом, мы увеличиваем объем памяти, но все же растут и размеры памяти, хотя и не такими темпами, как объем памяти обычного компьютера.
Стремление уменьшить размеры памяти и остальных узлов компьютера диктуется не только потребностью уменьшить габариты устройства и, соответственно, уменьшения его материалоемкости. Главным мотивом минимизации компьютера является его быстродействие. Чем короче пути распространения сигналов, тем меньшие их индуктивности и емкости, и, следовательно, тем быстрее работает компьютер.
Кроме минимизации размеров, ученые ринулись по различным другим путям увеличения мощностей компьютеров. Некоторые пытаются увеличить скорость распространения сигналов в компьютере. Наверное, полагают, что сигналы переносятся электронами и поэтому делают попытку увеличить скорость движения электронов. Другие пытаются подключить для увеличения скорости передачи сигнала телепортацию. В этом случае сигналы будут передаваться мгновенно. Возможны и другие версии. Но пока видимых достижений в этих областях пока нет.
Но ведь вычислительная мощность компьютера зависит не только от скорости распространения сигнала, но и основания, с которым работает компьютер. Наши почти все компьютеры работают с двоичной системой исчисления. Одна ячейка памяти может хранить только два значения: 0 или 1. В троичной системе одна ячейка может хранить три значения: 0, 1 и 2. В десятичной системе – десять значений и т.д. В десятичной системе компьютер работает быстрее, чем в двоичной системе. При сложении чисел, пока не произойдет сложения младшего разряда, следующий разряд должен выжидать результата сложения. Чем длиннее операнды, тем дольше время ожидания. Конечно, это можно до некоторой степени минимизировать, например, надстройки этажей суммирования переносов или еще какими-нибудь ухищрениями. Но всему есть предел и, конечно, такие же ухищрения можно применять во всех компьютерах. А в пределах основания вообще нет переносов. В десятичной системе операция три плюс три выполнится за один такт, а в двоичной на эту операцию потребуется два такта.
В электроне хранится 10 в 41 степени квантов, из которых формируются при излучении фотоны различной энергии: от одного кванта (нейтрино) до фотона, содержащего все 10 в 41 степени кванта. Последнее происходит при аннигиляции. В этом процессе электрон полностью разворачивается из частицы в электромагнитную форму. Вот теоретически такое основание может быть у квантового компьютера.
В действительности даже наш мозг, работающий с фотонами, со всем спектром этих фотонов не работает. Фотоны, с которыми работает мозг человека, находятся в пределах горба кривой излучения абсолютно черного тела. Но и в этих пределах ширина спектра очень большая. Например, Вы нашли доллар. Во-первых, это на некоторое время запомнится и, возможно, принесет хоть чуть радости. Нашли сто долларов – радость больше. Десять тысяч выиграли – можно плясать и т.д. Каждой степени радости соответствует соответствующее квантовое состояние мозга. Каждый доллар производит изменения в состоянии “хорошо”, хотя этого иногда мы можем не чувствовать. Это видно на таком примере. Допустим Вы нашли 1 доллар. Небольшая радость. Предположим, что крайне необходимо некоторое лекарство стоимостью 1001 долларов. Человек обладает только 1000 долларов, и он не может купить это лекарство и достать необходимый доллар сложно. Но когда он все-таки находит этот доллар, энергетическое состояние мозга изменяется чувствительным образом. В этом случае 1 доллар произвел другое действие в мозге.
Также изменяется квантовое состояние мозга и в сторону “плохо”. Потерю одного доллара можно и не заметить. Потерянные десять долларов могут вызвать легкую досаду, если они не входили в сумму для покупки вышеуказанного лекарства. Украденная тысяча может нарушить семейный бюджет и т.д.
Вот это количество потерянных и приобретенных долларов примерно и есть основание, с которым работает наш мозг. Возможна такая ситуация, что потеря одного доллара возбудит такое энергетическое состояние мозга, как потеря миллиарда долларов в иной ситуации.
Все это теоретические предпосылки, на которые маститые ученые не будут обращать внимания, а альтернативщики напрочь отвергать.
Попытаемся найти хоть какой-нибудь путь, по которому, по мнению автора, нужно следовать, чтобы построить квантовый компьютер. Материалов по практическому плану построения квантового компьютера очень мало. Действительно как на практике применить скрещенные гибриды частиц и фотонов или явление телепортации в строительстве компьютера. Это довольно сложная проблема. Строительство кубитов на атомах, как предлагают разработчики из университета Саймона Фрейзера (Канада), выглядит даже теоретически не совсем понятным. Необычным представляется и параллельная обработка состояний электронов в атоме, предложенная Джоном Мартинесом. Похоже, что и строительство кубитов на джефсоновских переходах не решит проблему квантового компьютера. С обычным фотоном все выглядит несколько проще. О чем поедет речь в следующей статье.